سنسور فشار تشدیدی (Resonant Pressure Sensor)، در فیزیک (Physics)
انواع حسگرها (Sensor) را در آموزش زیر شرح دادیم :
سنسور فشار تشدیدی (Resonant Pressure Sensor) :
سنسور فشار تشدیدی از تغییر فرکانس طبیعی یک عنصر نوسان کننده (معمولا یک تیرک یا دیافراگم) تحت تأثیر فشار استفاده می کند. این عنصر معمولا از سیلیکون ساخته شده و به صورت الکترواستاتیک یا الکترومغناطیسی به نوسان واداشته می شود. فرکانس تشدید آن به ابعاد، خواص مکانیکی و تنش اعمالی (که ناشی از فشار است) بستگی دارد. با افزایش فشار، تنش در عنصر تشدیدکننده تغییر کرده و فرکانس آن جابه جا می شود.
برای یک تیرک دو سرگیردار (double-clamped beam)، فرکانس تشدید اولین مود خمشی تقریبا برابر است با
\[ f_0 = \frac{1}{2\pi} \sqrt{\frac{k}{m_{eff}}} \]که k سختی و
\[ m_{eff} \]جرم مؤثر است. تحت تأثیر تنش محوری
\[ \sigma \](که در اثر فشار ایجاد می شود)، فرکانس تغییر می کند:
\[ f = f_0 \sqrt{1 + \frac{\sigma}{\sigma_{cr}}} \]که
\[ \sigma_{cr} \]تنش بحرانی کمانش است. این تغییر فرکانس را می توان با دقت بسیار بالا اندازه گیری کرد.
\[ f = f_0 \sqrt{1 + \alpha P} \quad \text{یا به صورت خطی شده: } f \approx f_0 (1 + \frac{\alpha}{2} P) \]مزیت اصلی این سنسورها، خروجی فرکانسی (دیجیتال) است که در برابر نویز مصون بوده و می تواند با دقت بالا و بدون افت در طول مسیر منتقل شود. همچنین پایداری طولانی مدت و تکرارپذیری عالی دارند. حساسیت آنها می تواند بسیار بالا باشد. معایب: پیچیدگی ساخت و مدارهای راه انداز، نیاز به خلأ برای حفظ Q بالای تشدید (کاهش میرایی)، و غیرخطی بودن ذاتی که باید جبران شود.
کاربردها: فشارسنج های دقیق آزمایشگاهی، ارتفاع سنج های هواپیما، استانداردهای فشار در صنایع هوافضا، و سنسورهای فشار برای کاربردهای با دقت بالا (مانند شتاب سنج های بسیار دقیق). این سنسورها به دلیل هزینه نسبتا بالا در کاربردهای عمومی استفاده نمی شوند.
طراحی عنصر تشدیدکننده بسیار مهم است. معمولا از تیرک های دو سرگیردار یا تیرک های یک سردرگیر (cantilever) با مودهای پیچشی برای کاهش اثرات نامطلوب استفاده می شود. تحریک و حس نوسان می تواند خازنی، پیزوالکتریک یا پیزومقاومتی باشد. برای حفظ دقت، باید دما نیز اندازه گیری و جبران شود زیرا فرکانس به شدت به دما وابسته است.
پیشرفت در فناوری MEMS امکان ساخت سنسورهای فشار تشدیدی با ابعاد بسیار کوچک و مصرف توان پایین را فراهم کرده است. این سنسورها با خروجی فرکانسی مستقیما با میکروکنترلرها قابل خواندن هستند و برای کاربردهای اینترنت اشیاء (IoT) که نیاز به دقت بالا دارند، گزینه های جذابی محسوب می شوند.
